ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВУМЯ ВЕТРОКОЛЕСАМИ Российский патент 2020 года по МПК F03D7 02 F03D15 00



Особенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудования

Энергоснабжение регионов России распределено крайне неравномерно. Имеются энергоизбыточные регионы, обладающие большими возможностями в обеспечении регионов, есть и районы с нехваткой энергоресурсов, нуждающиеся в поставках извне. Примечателен факт, что местности без электроснабжения встречаются в обоих категориях регионов, независимо от общей обеспеченности. Поэтому населению таких пунктов приходится изыскивать способы решения вопроса своими средствами.

Наиболее частым методом решения вопроса являются дизельные электростанции, которые обходятся довольно дорого и нуждаются в постоянных поставках топлива. Расходы на обслуживание и заправку таких устройств вынуждают вести поиск альтернативных источников. В последнее время внимание потребителей все чаще бывает сосредоточено на ветрогенераторах, так как этот источник абсолютно бесплатный, присутствует повсеместно, обладает большими возможностями в сфере энергетики.

Что такое ветроэнергетические установки?

Ветроэнергетические установки представляют собой комплексы оборудования, предназначенного для выработки, подготовки и снабжения потребителей электрическим током. Поскольку ветер является бесплатным источником энергии, все расходы на выработку тока сводятся к первоначальным вложениям на приобретение (или создание) ветрогенератора и смежного оборудования и последующее обслуживание.

Если сравнивать затраты на проведение линии электропередач или кабеля до отдаленных пунктов, то экономический эффект от использования ВЭУ в большинстве случаев оказывается довольно высоким. При этом, следует учитывать большую разницу в стоимости крупных ВЭУ и небольших установок, действующих в пределах одной усадьбы.

Частой ошибкой, допускаемой при расчетах экономической выгоды от использования ВЭУ, является рассматривание лишь одного варианта реализации методики — создания локальных энергетических комплексов (ЛЭК). Они рассматриваются только как энергоустановки местного значения, обеспечивающие энергией весь населенный пункт. Отсюда возникают высокие расходы на приобретение, потребность в дорогостоящем обслуживании и материалоемкость устройства.

Частные источники, способные обеспечить энергией отдельный дом, практически не рассматриваются, из виду упускается наиболее эффективный и необходимый сектор ветрогенераторов.

Достоинства и недостатки ВЭУ

Преимуществами ВЭУ являются:

  • возможность обеспечения электроэнергией любые пункты, вне зависимости от степени удаления от магистральных линий;
  • нет необходимости создавать большую энергетическую станцию, можно использовать отдельные компактные установки;
  • готовая ВЭУ не нуждается в топливе или иных ресурсных поставках.

При этом, существуют некоторые недостатки:

  • Выработка электроэнергии производится посредством ветровых потоков и полностью зависит от их силы и равномерности. В тихую безветренную погоду производство электротока невозможно.
  • Полученный ток не годится для использования без подготовки, которая требует наличия определенных устройств.
  • Ураганные ветра или шквалистые порывы могут разрушить или вывести установку из строя.

Важно! Как достоинства, так и недостатки ВЭУ являются их специфическими характерными качествами. При отсутствии других возможностей имеющиеся недостатки попросту устраняются принятием соответствующих мер.

Единственным действительно серьезным препятствием, ограничивающим использование ветрогенераторов, является высокая стоимость промышленных установок. Создание самодельных устройств требует определенных навыков и некоторой подготовки, что также замедляет распространение ветроэнергетических устройств среди населения.

Принцип работы ветроэнергетических установок

Ветроэнергетическая установка представляет собой комплекс оборудования, в состав которого входят:

  • ветрогенератор,
  • аккумулятор,
  • инвертор,
  • коммутационное оборудование, кабель, прочие устройства.

Внимание! Имеется много вариантов конструкции ветряков, но общий состав установки практически неизменен.

Принцип действия ветроустановок основан на использовании энергии ветра. Поток воздействует на лопасти рабочего колеса, приводя их во вращение. Оно передается на генератор, производящий электроток. Генератор заряжает аккумуляторы, напряжение с которых подается на инвертор, создающий переменный ток 220 В 50 Гц, необходимый для потребителей.

Существуют отдельные ветряки, питающие насосы или иные несложные устройства, которые подают напряжение напрямую на потребляющий прибор. Но, при возникновении нештатных ситуаций, например, внезапном усилении ветра, потребитель может выйти из строя вследствие резкого скачка напряжения.

В последнее время значительно увеличился интерес к ветроэнергетике со стороны изобретателей и конструкторов. Постоянно появляются новые конструкции, которые обладают все большими возможностями. В частности, ведутся активные поиски способов увеличения КПД ветряка, и некоторые варианты имеют весьма высокие показатели по сравнению с применяющимися в настоящее время промышленными образцами ВЭУ.

Учитывая, что максимальное использование энергии ветрового потока согласно расчетам не может превышать 59,3%, а реальное использование намного ниже и составляет от 10%, то возможности для увеличения эффективности установок весьма высоки.

Особенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудования

Виды оборудования

Существует две группы ВЭУ, отличающиеся друг от друга положением оси вращения рабочего колеса:

    . Внешне напоминают пропеллер. . Лопасти таких устройств вращаются вокруг вертикальной оси. Имеется большое число конструкций вертикальных ветряков.

Принципиальным отличием этих двух типов конструкции является необходимость ориентирования горизонтальных устройств по направлению ветра и нетребовательность к этому вертикальных ветряков. Кроме того, для горизонтальных устройств обязательно наличие высокой мачты, так как расположение на высоте обеспечивает более интенсивное воздействие потоков ветра на ротор. Вертикальные конструкции в подъеме над уровнем земли нуждаются в меньшей степени.

При этом, эффективность горизонтальных ветряков в целом выше, чем у вертикальных устройств. Это происходит потому, что лопасти вертикальных роторов испытывают как полезное воздействие на рабочие части, так и противодействующие нагрузки на обратные стороны. Снижение уравновешивающего воздействия потока на обратные стороны лопастей является основной задачей конструкторов, пытающихся разработать наиболее удачную форму рабочего колеса.

Существуют опытные образцы, обеспечивающие высокую эффективность использования потока, но широкого производства таких устройств пока не наблюдается.

Общий состав комплекса практически одинаков и различается только типом конструкции ветряка.

Горизонтальные ветрогенераторы

Установки с горизонтальной осью вращения имеют практически одну конструкцию. Они представляют собой горизонтальную ось с хвостом и ротором на противоположных концах. Ось имеет возможность свободного вращения вокруг вертикальной оси, необходимое для установки ротора по направлению ветра. Это происходит автоматически, при помощи хвоста. Ротор представляет собой род пропеллера, вращающегося при воздействии ветрового потока на лопасти.

Принципиального различия между разными моделями горизонтальных ветряков нет. Они отличаются типом лопастей:

  • жестколопастные,
  • парусные.

Первые сделаны из прочного материала, вторые представляют собой жесткую рамку, обтянутую плотной тканью или подобным материалом. Кроме того, имеются образцы с различной формой лопасти:

  • в виде прямой лопатки;
  • в виде архимедова винта.

Имеются парусные модели, созданные для получения максимального эффекта от воздействия ветрового потока. Они не имеют вращающихся частей, поверхность паруса создает давление на поршневую систему, взаимодействующую с генератором.

Важно! Большая площадь лопастей позволяет получать больше энергии от взаимодействия с воздушным потоком, но создает значительное сопротивление ветру, опасное при возникновении шквальных порывов.

Ротор горизонтальной конструкции нуждается в установке на высокую мачту. Это увеличивает эффективность получения ветровой энергии, но осложняет процесс монтажа и обслуживания устройства. Мачта должна быть надежно закреплена и усилена растяжками, чтобы имелась возможность выдерживать ураганные порывы ветра. Высота мачты выбирается таким образом, чтобы ветряк возвышался над всеми ближайшими зданиями и сооружениями. При этом, место установки также выбирается на возвышении, что позволяет снизить высоту мачты и облегчает монтаж.

Особенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудования

Вертикальные ветряки

Ветрогенераторы вертикальных конструкций имеют меньшую эффективность использования потока ветра, но с точки зрения эксплуатации они намного предпочтительнее. Их преимущества:

  • нет нужды ориентировать ротор по направлению ветра;
  • устанавливать устройство на высокую мачту необязательно, так как большой разницы в эффективности нет;
  • устройства имеют более простую конструкцию, что удобнее при самостоятельном изготовлении.

Изначально вертикальные конструкции имели две лопасти, имеющие форму желоба, расположенные диаметрально вдоль оси вращения. Впоследствии появились другие варианты, имеющие большее количество лопастей или иную форму. На сегодня различных конструкций известно довольно много. Вот некоторые из них:

    ,
  • ротор Дарье, ,
  • ортогональный,
  • геликоидный.

Работы по созданию новых типов конструкции ведутся непрерывно, поэтому привести полный перечень имеющихся конструкций невозможно.

Внимание! Вертикальные конструкции ветрогенераторов намного доступнее для самостоятельного изготовления, что явилось причиной появления большого количества вариантов конструкции.

Особенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудования

Особенности конструкции

Основная особенность конструкции ВЭУ — наличие подвижного ротора, передающего вращающий момент на генератор. Этот узел является наиболее ответственным во всей конструкции, требующим качественного изготовления, прочности и устойчивости к нагрузкам.

Читайте также:  Выбор и установка сигнализации на Ладу Весту

Кроме того, помимо надежности, ротор должен достаточно чутко реагировать на контакт с ветровыми потоками и начинать вращение при относительно слабых значениях. Это особенно важно, если учитывать особенности климата России, где преобладают слабые и средние ветра. Способность стартовать при малых ветрах высоко ценится у ветрогенераторов, большинство разработок создано именно для увеличения чувствительности к малым потокам.

Нестабильность и слабые скорости ветра являются основными причинами недостаточного развития ветроэнергетики в России. Расходы на альтернативные источники электроснабжения чаще всего выше, чем на традиционные методы, что объясняет малое присутствие ВЭУ. При этом, решение вопроса с помощью дизельных электростанций способствует отрицательному воздействию на окружающую среду в виде выбросов продуктов горения топлива.

Использование дармовой энергии ветра при правильно распределенных вложениях и применении наиболее эффективных конструкций способно дать немалый экономический эффект и способно решить проблему для регионов с недостаточным энергоснабжением.

Технические характеристики

К основным техническим характеристиками ВЭУ относятся:

  • номинальная мощность устройства,
  • минимальная скорость ветра, при которой происходит запуск ротора,
  • максимальная скорость ветра, при которой требуется торможение вращающейся части.

Помимо этих параметров важно определить срок окупаемости устройства, его долговечность и расходы на содержание. Эти факторы являются определяющими при выборе источника электроснабжения между дизельными станциями и ВЭУ. Для регионов со слабыми ветрами такой выбор весьма актуален, поскольку вкладываться в заведомо неэффективный комплекс нерационально и не способствует решению проблемы.

Ветроэнергетические установки являются перспективным вариантом решения проблемы энергообеспечения для отсталых регионов. При грамотном подходе и использовании оптимального комплекта оборудования, можно создавать как мелкие станции, обеспечивающие отдельные жилые дома, так и более крупные установки, способные снабжать энергией населенные пункты.

Возможность производства энергии без нанесения ущерба экологии региона должна ставиться в первоочередные задачи, и ветроэнергетика в этом отношении является наиболее удачным вариантом решения проблем.

Источник

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВУМЯ ВЕТРОКОЛЕСАМИ Российский патент 2020 года по МПК F03D7/02 F03D15/00

Изобретение относятся к ветроэнергетике и может быть использовано при управлении ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с двумя ветроколесами.

Известно устройство-аналог (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат. 1990. На стр. 241 задача 9.7 и ее решение на стр. 242) управления ветроэнергетической установкой с двумя ветроколесами с вращением их в разные стороны. Согласно линейной теории при расположении двух идеальных ветроколес одного диаметра последовательно удается достичь максимального коэффициента мощности СР=0.64 (по сути это КПД двух идеальных ветроколес). Для одного идеального ветроколеса согласно той же теории максимальный коэффициент мощности равен критерию Жуковского-Бетца, т.е. равен СРмах=16/27=0.593 (это КПД одного идеального ветроколеса). Таким образом, выигрыш по мощности составляет примерно 5%, т.е. использование ветроэнергетической установкой энергии ветра увеличилось тоже на 5% — несколько больше, чем по критерию Жуковского-Бетца.

Недостатком этого устройства — аналога является недоиспользование ветроэнергетической установкой энергии ветра со снижением скорости ветра.

Известно устройство-прототип: (Цгоев Р.С. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами — пункт 2 формулы патента РФ №2522256), согласно которому ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами содержит лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, при этом общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт — гайка",

Недостатком устройства-прототипа является наличие двух шлицевых пар. Первую образует ступица второго ветроколеса с общим валом винтовую шлицевую пару. Вторую шлицевую пару образует гайка системы передачи "винт — гайка" с остовом механизма поворота и перемещения второго ветроколеса относительно первого ветроколеса, в которой шлицы выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в специальных пазах в остове. Наличие двух шлицевых пар усложняет конструкцию всей ветроэнергетической установки.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности ветроэнергетической установки с двумя ветроколесами путем исключения из конструкции шлицевых пар.

Технический результат заключается в упрощении конструкции ветроэнергетической установки и, следовательно, в ее удешевлении и упрощении условий эксплуатации.

Поставленная техническая задача решается тем, что известная ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащая лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, при этом общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт — гайка", ступица второго ветроколеса и общий вал выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками, соединенные между собой электродвигателем с системой передачи "винт — гайка", при этом статор электродвигателя подсоединен шарнирно к одной из стоек, ротор электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт — гайка", винт которой шарнирно соединен со второй стойкой.

Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках.

На Фиг. 1 представлена общая схема ветроэнергетической установки с двумя ветроколесами.

На Фиг. 2 представлены стойки с электродвигателем и с системой передачи "винт — гайка" в разрезе (разрез по А-А).

Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2, содержащая лопасти ветроколес, ступицы 3 и 4 и общий вал 5 ветроколес, электрогенератор 6, энергосистему 7, при этом общий вал 5 ветроколес соединен с валом электрогенератора 6, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме 7, расположенный на общем валу ветроколес блок 8 управления углом между ветроколесами с электродвигателем 9 и с системой передачи "винт — гайка", ступица 4 второго ветроколеса и общий вал 5 выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками 10 и 11, соединенные между собой электродвигателем 9 с системой передачи "винт — гайка", при этом статор 12 электродвигателя 9 подсоединен шарнирно к одной из стоек 10 или 11, ротор 13 электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт — гайка", винт 14 которой шарнирно соединен со второй стойкой. (1. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. 2. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. T.IV-1 / Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков и др. Под общ. ред. Д.Н. Решетова. 864 с: ил.). На Фиг. 2 приведен разрез электродвигателя 9 со статорной обмоткой 15 и подшипниковым узлом 16 для вращения ротора-гайки 13 относительно статора 12. Согласно Фиг. 1, ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2 также содержит подшипниковый узел 17 для синхронного вращения ступицы 4 и общего вала 5 относительно неподвижного остова 18. Кроме того вход блока 8 управления углом между ветроколесами соединен с выходом датчика 19 скорости ветра, выполненного, например, в виде анемометра. Стойка 11 с одной стороны через шарнирное соединение 20 присоединена статору 12 электродвигателя 9, а с другой стороны жестко присоединена к ступице 4. Стойка 10 с одной стороны через шарнирное соединение 21 присоединена к винту 14 системы передачи "винт — гайка", а с другой стороны жестко присоединена к общему валу 5. Устройство работает следующим образом.

Под действием потока ветра ветроколеса 1 и 2 ветроэнергетической установки вращаются синхронно в одну и ту же сторону и через общий вал 5 приводят во вращение электрогенератор 6, электроэнергия которого передается в энергосистему 7. Блок 8 управления по сигналу датчика 19 скорости ветра формирует управляющий сигал, например, пропорциональный скорости ветра, который поступает на управляющий вход полупроводникового преобразователя частоты (на рисунках не приводится), выход которого соединен со статорной обмоткой 15, и тем самым приводит во вращение ротор 13 электродвигателя 9, выполненный в виде гайки системы передачи "винт — гайка", преобразующей вращательное движение гайки 13 в поступательное движение винта 14.

Читайте также:  Ручная установка драйвера устройства

Взаимное перемещение винта 14 винтовой передачи, соединенный через шарнирное соединение 21 и стойку 10, в свою очередь соединенную через общий вал 5 с ветроколесом 1, и ротора-гайки 13 через статор 12 электродвигателя, свое шарнирное соединение 20 и стойку 11, соединенную через ступицу 4 с ветроколесом 2, вызывает поворот ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1.

Например, если ветроколесо 1 и ветроколесо 2 выполнены трехлопастными, то при номинальной скорости ветра (или номинальной мощности ВЭУ) при нулевом угле между ветроколесами лопасти ветроколеса 2 находятся "в тени" лопастей ветроколеса 1. При этом угол между стойками 10 и 11 минимальный. Со снижением скорости ветра меньше номинального значения угол между стойками 10 и 11 увеличивается при одновременном увеличении угла между ветроколесами 1 и 2 до максимального значения в 60°. При этом угол между стойками 10 и 11 также максимальный.

Таким образом, в предлагаемой ветроэнергетической установке с двумя ветроколесами переход из режима работы с нулевым углом между ветроколесами при скоростях ветра, больших номинального значения, в режим работы с максимальным углом позволяет для одномеговаттной ВЭУ увеличить выработку энергии почти на 20%, что говорит о существенном повышении эффективности ветроэнергетической установки при одновременном упрощении устройства путем исключения шлицевых передач.

Похожие патенты RU2727276C1

  • Цгоев Руслан Сергеевич
  • Цгоев Руслан Сергеевич
  • Цгоев Руслан Сергеевич
  • Цгоев Руслан Сергеевич
  • Болотов Сергей Альбертович
  • Болотов Альберт Васильевич
  • Ильинцев Олег Николаевич
  • Отарашвили Зураб Автандилович
  • Подгорный Евгений Валерианович
  • Таранников Леонид Анатольевич
  • Болотов Никита Сергеевич
  • Абинаев Ренат Кайдарович
  • Баканов Анатолий Георгиевич
  • Тихонова Елена Львовна
  • Литвиненко Александр Михайлович
  • Свистунов Алексей Александрович
  • Забегаев А.И.
  • Горбунов Ю.Н.
  • Наумов В.В.
  • Кутузов В.В.
  • Смирнов С.Л.
  • Новак Ю.И.
  • Демкин В.В.
  • Болотов Альберт Васильевич
  • Болотов Сергей Альбертович
  • Болотов Никита Сергеевич
  • Забегаев А.И.
  • Горбунов Ю.Н.
  • Наумов В.В.
  • Кутузов В.В.
  • Смирнов С.Л.
  • Новак Ю.И.
  • Демкин В.В.

Иллюстрации к изобретению RU 2 727 276 C1

Реферат патента 2020 года ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВУМЯ ВЕТРОКОЛЕСАМИ

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при управлении ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с двумя ветроколесами. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами содержит лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему. Общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме. Расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт — гайка", ступица второго ветроколеса и общий вал выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками, соединенными между собой электродвигателем с системой передачи "винт — гайка". Статор электродвигателя подсоединен шарнирно к одной из стоек, ротор электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт — гайка", винт которой шарнирно соединен со второй стойкой. Изобретение обеспечит эффективность использования установленной мощности ВЭУ и, соответственно, увеличение выработки электроэнергии путем повышения использования энергии ветра со снижением его скорости при одновременном упрощении устройства путем исключения шлицевых передач. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 727 276 C1

Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащая лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, при этом общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт — гайка", отличающаяся тем, что ступица второго ветроколеса и общий вал выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками, соединенными между собой электродвигателем с системой передачи "винт — гайка", при этом статор электродвигателя подсоединен шарнирно к одной из стоек, ротор электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт — гайка", винт которой шарнирно соединен со второй стойкой.

Источник

Ветроэнергетическая установка с двумя синхронно вращающимися ветроколесами

Поставлена задача повышения эффективности горизонтально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ). Описаны основные ограничения, вызывающие снижение эффективности ветроустановок с уменьшением скорости ветра. Проведен сравнительный анализ особенностей работы и выработки электроэнергии мало- и многолопастных ВЭУ, по результатам которого предложена новая конструкция ВЭУ. Основанная на классическом принципе работы горизонтально-осевой ВЭУ, новая конструкция ветроколеса позволяет преобразовывать ветроагрегаты с n лопастями в агрегаты с 2n лопастями и обратно без вывода установки из работы. Особенностью конструкции является установка двух соосных ветроколес на один вал через передаточную ступицу, которая позволяет менять положение соосных ветроколес друг относительно друга, располагая лопасти второго ветроколеса за или между лопастями первого. В результате режим работы ВЭУ подразделяется на два основных режима: с n лопастями на повышенных оборотах ветроколеса и 2n лопастями на пониженных оборотах ветроколеса. Также показана логика управления ветроколесами в зависимости от внешних условий. Ее суть заключается в формировании управляющего сигнала для ступицы, формирующегося на основе реальной скорости ветра и фактического положения второго ветроколеса. Через логический контроллер сигнал подается на электромотор для последующего изменения положения второго ветроколеса. Представлены основные результаты расчетов, содержащие сравнительные техническую и экономическую эффективности применения предлагаемого решения.

Сведения об авторах

Учёная степень: доктор технических наук

Место работы: кафедра Гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии НИУ МЭИ

Место работы: кафедра Гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии НИУ МЭИ; ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Должность: аспирант; ведущий эксперт

Литература

1. Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России: состояние и перспективы развития. М.: Изд-во МЭИ, 1996. С. 214—217.

2. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М: ОГИЗ, 1947.

3. Машиностроение. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Т. IV-1 / под общ. ред. Д.Н. Решетова. М.: Машиностроение, 1995.

4. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990.

5. Weinhold N. Inconspicuous world champions // New Energy. 2005. No. 5. Pp. 33—41.

Для цитирования: Цгоев Р.С., Орлов А.А. Ветроэнергетическая установка с двумя синхронно вращающимися ветроколесами // Вестник МЭИ. 2017. № 3. С. 41—45. DOI: 10.24160/1993-6982-2017-3-41-45.
#
1. D’yakov A.F., Perminov E.M., Shakaryan Yu.G. Vetroehnergetika Rossii: Sostoyanie i Perspektivy Razvitiya. M.: Izd-vo MPEI, 1996:214—217. (in Russian).

2.Fateev E.M. Vetrodvigateli i Vetroustanovki. M: OGIZ, 1947. (in Russian).

3.Mashinostroenie. Detali Mashin. Konstrukcionnaya Prochnost’. Trenie, Iznos, Smazka. T. IV-1 / pod Obshch. red. D.N. Reshetova. M.: Mashinostroenie, 1995. (in Russian).

4.Tvajdell Dzh., Uehjr A. Vozobnovlyaemye Istochniki Energii. M.: Energoatomizdat, 1990. (in Russian).

Источник

Автономное электроснабжение от энергии ветра: выбираем ветрогенератор

Общее понятие о ветроэнергетике, принципы выбора ветрогенератора – опыт пользователей портала.

Этой статей мы открываем тему, посвященную ветроэнергетике и бытовым электростанциям, функционирующим на основе ветрогенераторов. В ее первой части мы расскажем:

  • О перспективах использования ветрогенераторов на приусадебном участке.
  • Об устройствах, которыми должна быть укомплектована домашняя ветроэлектростанция.
  • О разновидностях ветрогенераторов и их особенностях.
  • О характеристиках ветрогенераторов, по которым следует выбирать устройство для бытового электроснабжения.

Перспективы ветроэнергетики

Генерировать электричество из энергии ветра – возможно. Но сразу оговоримся: объем электрической мощности, которую можно «снять» с домашнего ветрогенератора, напрямую зависит от особенностей местности, в которой вы проживаете.

Поэтому, рассматривая автономную электростанцию как альтернативу местным электрическим сетям, предварительно изучите данные статистики по среднегодовой скорости ветра в своем регионе. Определить перспективность строительства автономной системы помогут таблицы интенсивности ветра, используемые при строительстве ветроэлектростанций (их можно найти с помощью любой поисковой системы). Также сориентироваться в вопросе поможет информация о технических характеристиках существующих ветрогенераторов и личные среднесуточные замеры скорости ветра, выполненные с помощью анемометра – прибора для измерения скорости ветра.

Читайте также:  Ответы на сканворд АиФ 17 от 28 04 2021

При слабом ветре генератор может вовсе не вырабатывать электричество, при этом свою номинальную мощность устройство развивает только при значительной скорости ветра.

Aleksei2011 Пользователь FORUMHOUSE

Мощность при ветре 1 – 3м/с – около 3 Вт/ч (как у обычного зарядника от телефона), а при более сильном ветре мощность возрастает. В сутки ветряк вырабатывает примерно 30–60 Вт/ч (при ветре 1 – 3м/с), а при ветре 3 – 5м/с – до 100 Вт/ч. Энергия накапливается в маленьком буферном аккумуляторе, от которого осуществляется зарядка девайсов и работает светодиодное освещение.

Мы привели пример ветрогенератора небольшой мощности, который изготовлен из стандартной динамо-втулки. Он наглядно демонстрирует, что ветроэнергетика (даже на уровне хобби) имеет вполне реальные перспективы.

В целом, планируя строительство домашней ветроустановки, не следует ставить перед ней нереальных задач. Но если все сделать правильно – собрать установку, оснащенную аккумуляторами, контроллером и инвертором, то можно получить вполне удовлетворительные результаты (особенно, если ваш участок расположен вдали от централизованных электрических сетей). А дополнив систему солнечными батареями, можно получать энергию даже при полном отсутствии ветра.

Aleksei2011

Сейчас живу на даче, и электричество у меня от самодельной комбинированной системы: два ветрогенератора общей мощностью 300 Вт/ч и две солнечные панели общей мощностью 200 Вт/ч. Я расходую около 10-15кВт/ч энергии в месяц. Этой электростанции мне хватает на освещение, телевизор, Интернет и связь. Ну а если больше захочется, то и цена установки соответствующей будет.

Из чего состоит ветровая электростанция

Сам по себе ветрогенератор (независимо от мощности и других технических характеристик) никогда не сможет обеспечить бесперебойное питание подключенных к нему электроприборов. Скорость ветра – неравномерна. Как следствие, объем мощности, вырабатываемой ветрогенератором в течение суток, может очень сильно меняться (временами ветряк, и вовсе, останавливается). Поэтому классическая схема ветроэлектростанции, которая сможет обеспечивать питание потребителей даже в тихую и безветренную погоду, должна иметь следующий вид:

  • ветрогенератор (ВГ) – установка, преобразующая энергию ветра в электричество (состоит из рабочего винта и генератора переменного тока);
  • контроллер – устройство, которое преобразует переменный ток, поступающий от генератора, в ток постоянный, необходимый для правильной зарядки аккумулятора (еще одна функция контроллера – регулировка оборотов ВГ, но о ней поговорим чуть позже);
  • аккумуляторная батарея – позволяет накапливать электроэнергию во время работы ветряка и отдавать ее потребителям, когда ВГ перестает вырабатывать электричество;
  • инвертор – устройство, которое служит для преобразования постоянного тока напряжением 12В (поступающего в сеть от АБ) в бытовой ток – 220В, обладающий заданной частотой.

Учитывая, что ветрогенератор является ключевым элементом электростанции, параметры, по которым следует его выбирать, мы рассмотрим в первую очередь.

Стартовая скорость ветра и момент страгивания ветряка

В регионах, где штормовые воздушные потоки – большая редкость, основной задачей является выбор ветрогенератора, способного вырабатывать электричество даже при сравнительно слабом ветре (4…5 м/с). Способность установки начинать вращение при небольшом ветре характеризуется величиной его стартовой скорости.

Стартовая скорость напрямую зависит от стартового момента (момента страгивания) ветряка – усилие, которое необходимо приложить на рабочий винт ветрогенератора, чтобы он начал свое вращение. Чем меньше стартовая скорость ветра, тем больше дней в году генератор будет радовать вас альтернативной энергией. Большинство ветрогенераторов, которые используются в домашних условиях, имеют стартовую скорость – 2…3 м/с.

При этом есть отдельная разновидность устройств (с парусным винтом), которые очень чувствительны к движению воздуха.

Они стартуют при значительно меньших скоростях ветра (от 0,2 м/с), но обладают крайне ненадежной конструкцией. Поэтому перспективы их использования мы рассматривать не будем.

Стартовую скорость не следует путать с рабочей и номинальной скоростью, поскольку не всегда при минимальных оборотах ротора генератор способен давать ток, достаточный для зарядки аккумулятора.

Рабочая скорость

Для того чтобы генератор не вращался «вхолостую» (например, при небольшой скорости ветра), его рабочие характеристики должны соответствовать погодным условиям, которые преобладают в вашей местности.

t34

Нормальные быстроходные ветряки начинают заряд аккумуляторов при скорости ветра в 3 – 3.5 м/с.

Скорость ветра, при которой ветрогенератор начинает давать ток на нагрузку – это минимальная рабочая скорость. Номинальная (расчетная) скорость ветра – скорость, при которой силовая установка выходит на свою номинальную мощность.

Основные разновидности ветрогенераторов

Наиболее популярны сегодня классические быстроходные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения и тремя лопастями.

Быстроходными считаются ветряки с минимальным количеством лопастей: 2, 3 или, вовсе, с одной (оснащенной противовесом). При сильном ветре такие генераторы очень быстро вращаются и при этом сильно шумят. Особенно это касается однолопастных устройств. Несмотря на то, что проблема шума может показаться незначительной, относиться к ней следует очень серьезно.

Sa. Пользователь FORUMHOUSE

ВГ шуршит: начиная с 5–6 м/с ветер в ушах свистит, заглушая все звуки вокруг. Начиная с 1 кВт, контроллер начинает притормаживать ВГ, после чего устройство начинает не только шуршать, но еще и гудеть.

Форумчанин представил описание брендового быстроходного ветрогенератора, обороты которого (при скорости ветра в 10 м/с) приближаются к показателю 400 об/мин. Из него можно сделать вывод: располагая ветрогенератор вблизи жилых помещений, целесообразно рассмотреть вариант с тихоходным ВГ (если, конечно, не хотите, чтобы доброжелательные соседи однажды превратились в ваших закоренелых врагов). Такие генераторы ввиду своих аэродинамических особенностей даже при сильном ветре не развивают больших оборотов. К тому же, при сравнительно одинаковой мощности диаметр лопастей у тихоходного ветряка всегда меньше, чем у быстроходного устройства. Это делает проще и монтаж, и эксплуатацию установки.

Горизонтальный тихоходный ветряк – это установка, в конструкции которой имеется более трех лопастей, а показатель быстроходности (Z) соответствует значению Z ≤ 5. Где Z – отношение окружной (концевой) скорости лопастей ветряка к скорости ветра.

Число лопастей Показатель быстроходности, Z
1 9
2 7
3 5
6 3
12 1.2

На практике характеристики тихоходного ветряка соответствуют следующим параметрам:

Михаил26 Пользователь FORUMHOUSE

Частота вращения 400 об/мин – это далеко не тихоходный винт. 120 об/мин и выдача на этих оборотах номинала мощности – это тихоходный ветряк.

Дополнительным преимуществом тихоходной установки является низкая скорость страгивания. Благодаря высокому крутящему моменту, который лопасти передают на рабочий винт генератора, установка стартует даже при небольшом ветре. Высокий момент образуется за счет большей площади лопастей (в сравнении с быстроходными ветряками).

Из-за большого количества лопастей во время работы перед винтом тихоходного генератора образуется воздушная подушка (ветер не успевает проходить через лопасти). Эта особенность оказывает негативное влияние на производительность установки, и из нее вытекают основные недостатки устройства.

К основным недостаткам тихоходного ветряка можно отнести сравнительно низкий КИЭВ и высокую парусность (которая в штормовую погоду может привести к фатальным для установки последствиям). При этом тихоходные ветряки оснащаются генераторами с увеличенным диаметр ротора, а иногда – дополнительными мультипликаторами, которые облегчают запуск и вращение силовой установки. Перечисленные усовершенствования позволяют увеличить линейную скорость ротора и «снять» с генератора больше мощности при небольших оборотах. Такая конструкция генератора значительно увеличивает стоимость всей установки.

Что касается быстроходных генераторов горизонтального типа: благодаря своей простоте и относительной дешевизне эти устройства получили достаточно широкое распространение. И если в конструкции такой установки реализована защита от бури (например, механизм складывания хвоста при сильном ветре), то единственным неудобством во время ее эксплуатации может стать сильный шум.

Тихоходные горизонтальные ветрогенераторы гораздо реже используются на территории частных домовладений. Во многом это связано с характерными особенностями подобных установок.

Источник

Adblock
detector